钢结构知识概述主讲人罗精为课件

钢结构知识概述主讲人罗精为概述二、钢结构的发展与应用四、钢结构检测相关问题一、钢结构的特点三、钢结构工程中存在的问题五、小结一、钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、制作简便、施工周期短5、耐热性较好，耐火性差6、耐腐蚀性差7、低温冷脆倾向4、绿色环保1.轻质高强轻质——材料的质量密度与强度的比值小Q235钢C30混凝土Q235钢密度：7850kg/m3强度：215N/mm2

C30混凝土密度：2450kg/m3强度：14.3N/mm2

大跨结构加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为76M，高60M。大跨结构国家大剧院

总建筑面积近15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750吨。大跨结构

国家体育场建筑体形上像鸟巢，建筑面积25.8万m2。可容纳10万人。平面为椭圆形，长轴340m，短轴292m。屋盖中间有一个146m×76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面，总用钢量达5.3万吨。国家体育馆高层结构上海环球金融中心

位于陆家嘴金融贸易区，毗邻金贸大厦，是以日本森大厦株式会社为中心，联合日本、美国等40多家企业投资兴建的项目。工程占地面积为3万m2，总建筑面积达38.16万m2。该工程地上101层，地下3层，建筑主体高度达492m，总用钢量26000吨，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构，2008年竣工。桥梁钢结构朝天门大桥主跨达552米，全长1741米，比世界著名拱桥———澳大利亚悉尼大桥的主跨还要长，成为“世界第一拱桥”。

汶川地震中都江堰市华夏广场小区，底部两层整体倒塌2、塑性和韧性好（抗震性能好)

汶川地震中绝大部分钢结构建筑安然无恙2、塑性和韧性好汶川地震震害反思钢结构房屋具有良好的延性和较强的整体性，具有卓越的抗震性能，在地震中很少发生整体破坏或倒塌现象。

混凝土结构

砌体结构

钢结构2、塑性和韧性好3、制作简便、施工周期短日本装配式钢结构住宅50天施工过程第一日堪察现场第二日维护现场，拆除旧房第十日基础完成第二十日房屋单元安装完毕第二十五日门窗安装完毕，内墙安装完毕、石膏板安装完毕天棚、地面开始制作第三十日室内外装修基本完毕第三十五日电器、洁具、上下水管道安装调试完毕完工后的室内完工后的外观4.绿色环保绿色环保，生命周期分析(LCA)得到的几类建筑结构的环境负担对比，分析中对同一建筑分别采用不同的材料修建，对比了在整个施工、使用及拆除后对环境造成的负担，从表中数据对比看到，钢结构在生命周期内对环境的负担较小，是名副其实的绿色环保结构。5、耐热性较好，耐火性差

钢结构设计需重视防火问题！钢材是不燃烧材料，但耐火性能差。钢材的机械力学性能，如屈服强度、抗拉极限强度以及弹性模量等，随着温度的升高而降低，出现强度下降、变形增加等问题。钢材在温度200℃以下，材料性能基本不变；当温度超过200℃后，材料弹性模量开始明显降低；当温度接近600～700℃时，钢材的弹性模量仅为常温下的20%，屈服强度趋近于零。火灾是一种偶然的灾难性荷载（作用）。现代钢结构功能复杂，火灾隐患多，且一旦发生火灾，火势迅速蔓延，人员疏散困难，灭火难度大，若没有很好的防火保护措施，将导致结构温度迅速上升，钢材强度急剧下降，引起结构出现过大的不可恢复的塑性变形，甚至结构倒塌，将造成巨大的人员和财产损失。因此，对钢结构的防火性能应引起足够重视。5、耐热性较好，耐火性差

钢结构设计需重视防火问题！当建筑采用钢结构而且无防火保护措施时，一旦发生火灾，结构极易遭到破坏，损失巨大。如1996年江苏昆山的一座钢结构厂房发生火灾，30分钟左右造成4320m2的厂房烧毁坍塌；1998年北京某采用钢结构建造的家具城发生火灾，造成该建筑整体倒塌。国内近年来每年发生的建筑火灾多达5万起以上，损失超过几十亿元。2005年4月，南京青少年科技活动中心钢结构屋盖发生火灾，30分钟内造成金属屋面过火面积达6000m2，损失惨重，同时影响了该建筑的按时投入使用，造成巨额经济索赔；幸运的是，由于该建筑承重钢结构在火灾发生时已经敷涂好了防火涂料，因而没有造成结构垮塌和严重的结构安全问题。

6、耐腐蚀性差

需要进行防腐处理，并且定期维护金属的腐蚀遍及国民经济各领域，在工业发达的国家中，腐蚀造成的直接经济损失占国民经济总产值的1%~4%，每年腐蚀生锈的钢铁约占产量的20%，约有30%的设备因腐蚀而报废。在我国，由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300亿元以上，约占国民生产总值的4%。7、低温冷脆倾向

需要选择合适的钢材材质等级A、B、C、D、E元素含量不同、主要是冲击性能指标的试验温度区别《钢结构设计规范》GB50017-2003规定二、钢结构的发展与应用建筑钢结构发展可分为四个阶段：初盛阶段（上世纪50年代至60年代）、低潮阶段（上世纪60年代中后期至70年代）、发展时期（上世纪80年代至90年代）、高速发展阶段（2000年至2010年）。

1.初盛阶段（上世纪50年代至60年代）

1949年新中国刚成立，百废待兴，当时钢产量很低，每年仅135万吨（现已达5亿吨以上）。钢结构建设只有依靠苏联经济及技术援助，当时苏联援建156项重型工业工厂，包括冶金、重型机械、飞机汽车等工业，如鞍山钢铁厂，武汉钢铁厂、大连造船厂、哈尔滨飞机制造厂等。当时还派来一大批苏联专家指导工作。

与此同时还在北京、沈阳、华东、华南、中南、西南、西北等地成立6大工业设计院，在北京、武汉、鞍山、重庆、包头、上海成立了6个钢铁设计院，先后成立了22个冶金建设部门及制造安装公司等。短短几年建设了不少钢结构工业厂房（钢柱、钢屋架、吊车梁），培养一大批设计、制造、安装方面的人才，为今后发展打下了坚实基础。当时，民用建筑钢结构工程不多，值得提出的有：1954年北京体育馆（57米跨两铰落地拱）、1954年重庆人民礼堂（40.6米肋环形钢穹顶）、1956年天津体育馆（50米柱面联方钢网壳）、1959年北京人民大会万人礼堂（60.9米大钢桁架）等。低潮阶段（上世纪60年代中后期至70年代）这个时期国家各部门钢材需求量增大了，但钢产量仍然不多，每年也只有2000万吨，国家提出节约钢材的政策，当时有人片面理解为不用钢结构，于是钢结构工程数量少了。在文化大革命时期更是一切都停了下来。

通过科研及工程技术人员的积极努力，才把使用多年的1955年版《钢结构规范》用自己编写的1974年版《钢结构规范》代替。同时，也建造了一些大型的钢结构工程，当然和当前相比数量少多了。在提倡节约钢材的同时，国家又提出取消肥梁、胖柱、深基础的方针，于是出现了一批冷弯薄壁型钢的工程：如上海、韶关、桂林、十堰等地建造了数十万平方米的厂房、仓库等。由于节约钢材政策，平板网架工程得到了推广应用，特别是焊接空心球节点研究成功，全国各地中小跨度的焊接球节点平板网架比比皆是，与此同时，螺栓球节点网架也推广起来了。二、钢结构的发展与应用发展阶段（上世纪80年代至90年代）这20年应当是钢结构发展的兴盛时间，由于钢结构具备了一些独特优点，已成为建设工程中的主要结构，特别是钢产量持续上升，在1997年达到了1亿吨，给我们发展钢结构创造了有利条件。1998年我国已能生产轧制H型钢，为钢结构提供了新的钢型系列。

钢结构工程这段时间得到了长足发展：空间型结构。平板网架已广泛应用大型体育场馆、会展中心、商场、航站楼、车站、仓库、工厂等。1990年亚运会场馆中大多数采用了焊接空心球节点平板网架。1996年北京首都机库（153米＋153米,进深90米），焊接球节点四角锥三层网架。同年，厦门太古机库（150米×70米）建成，大门口采用无粘结预应力索拉杆拱。采用网壳的几项工程有：1994年天津体育馆（D=108米）采用双层球面网壳；1997年长春体育馆（146米×191.8米）采用双层方钢管网壳、1995年黑龙江滑冰馆（86.2米×191.2米）采用中央柱面网壳两端半球壳。1995年四川攀枝花体育馆采用八边花瓣型双层网壳，跨度60米，采用多次预应力。这是国内首次采用多次预应力工程。1998年还建成上海国际体操中心主馆，采用铝合金球面网壳，直径68米。网架与网壳都有相应的设计规程

单层厂房框架结构。规模较大的有钢铁厂、无缝钢管厂、火力发电厂等。其特点有面积大（20万平方米）、柱高度大（50米）、柱距大（48米）、连跨多（8跨）、吊车起重量大（450吨）等。但维护结构轻，采用彩色涂层压型钢板或铝合金压型板。部分厂房也有采用平板网架屋盖、钢管混凝土柱。4.空间结构与拱、钢架组成的混合体系也得到发展。如：亚运会的北京石景山体育馆（正三角形，边长99.7米）及北京朝阳体育馆（60米×78米）、四川体育馆（73.7米×79.4米）、青岛体育馆（72米×87米）等，都是混合结构体系。

5.高层建筑钢结构。高层建筑钢结构起步比较晚，第一幢为1987年的深圳发展中心大厦165米，后来208米的京广中心，1996年325米深圳地王大厦，1999年420米上海金茂大厦，近年建成的上海环球金融中心是当代最高的460米。6.膜及索膜结构。上世纪90年代后期得到一定的发展，现仍在不断地扩大作用，很有发展前景。如1998年建成的上海8万人体育馆看台、上海虹口体育场、青岛颐中体育场、武汉新经济开发区体育馆及长沙世界之窗剧场等，都是规模比较大的索膜结构。7.悬索结构发展较慢，只有少数工程采用，如山东淄博体育馆（54米）、安徽体育馆（53米×72米），无锡体育馆（40米×43米）、吉林冰球馆等采用不同的索网体系。斜拉结构是利用斜拉索作为屋盖（网架或网壳）中的内附加支承，通过张拉斜拉索建立预应力，如1989年建成的亚运会综合馆（70米×83.2米）、游泳馆（78米×118米）以及1993年建的新加坡港务局（PSA）仓库（6万平方米）。8.轻钢结构。轻钢结构发展非常快，特别是门式钢架，如工业厂房、仓库、冷藏库、温室、旅馆、别墅等得到大量应用。另外一种拱形波纹屋顶，由于自重轻、施工快，在许多30米以下的仓库、加工厂等结构中得到应用，已建成数百万平方米。轻钢结构住宅也开始研究并建一些实验工程，很有发展前景。这一时期，修订了1974年版《钢结构规范》，改用1988年版《钢结构规范》。高速发展时期（2000年至2009年）

近10年的钢结构工程发展之快、范围之广，是空前的，我国也已堪称世界钢结构大国。2006年钢产量4亿吨，居世界首位，这也为发展钢结构工程创造了有利条件。传统的空间结构如网架、网壳等继续得到大力推广，新型空间结构开始得到广泛的应用，如张弦梁、张弦桁架、弦支穹顶等。上海浦东机场，哈尔滨会展中心，上海会展中心、广东会展中心等都采用超过100米的张弦桁架，这在世界上也极少见。当时广东白云机场和三个落叶状的广东体育馆都是采用了当时先进的空间结构。特别是几个运动会、博览会场馆更加大采用空间结构的力度，如：2008年北京奥运会新建的37个场馆，2009年山东济南全运会场馆，2010年上海世博会及广州亚运会场馆，2011年深圳大运会场馆。值得提出的是，2008年奥运会北京新建的12个场馆，它代表我国钢结构的技术水平。

2009年山东济南全运会主要有体育场、体育馆、游泳馆和网球中心，整个建筑群采用“东荷西柳”建筑造型。上海世博会场馆，其中一轴四馆（即世博轴、中国馆、世博中心、主题馆、演艺中心）都是很有特色的永久性建筑。另外，数以百计的代表不同创意的各国的国家馆、企业馆等建筑。高速发展时期（2000年至2009年）除几个运动会及博览会场馆外，值得提出的还有：上海环球金融中心、北京首都国际机场新航站楼、北京南站、国家大剧院、中央电视台新台址、武汉火车站、北京新保利大厦、郑州国际会展中心等。这一时期，1988年版《钢结构规范》又被2003年版《钢结构规范》代替了。目前，2003版《钢结构规范》也在修订，更新版的《钢结构规范》近两年内即可出炉。关于钢结构住宅，在这段时期由于政策的支持，工程技术人员的努力，已取得一定的成绩，试点工程的兴建，技术规程的出版，使钢结构已经具备了进一步发展的条件。由于这些特色工程，也产生了多项钢结构的制造、安装的新技术。同时也涌现出大批先进钢结构企业，这对今后的钢结构产业的发展是非常有利的。根据中国钢结构协会2008年度年报一、2008年度钢结构总产量1032万吨，企业员工总数182332人，人均完成57吨/年；总产值1345.38亿元，其中实现利税83.96亿元，行业利税率6.2%;钢结构及装备出口国外190.1万吨，占总产量的18.4%。二、钢结构产量位居全国前五名的省市是：上海213.6万吨；浙江209.4万吨；安徽96.6万吨;山东91.1万吨;广东70万吨。说明沿海及中部城市钢结构制造业发展走在全国前列，包括上海振华港口机械集团有限公司、江南重工股份有限公司、浙江杭萧钢构股份有限公司、长江精工钢结构股份有限公司、浙江东南网架股份有限公司等5个协会认证的特级钢结构制造企业业绩突出，成长性良好，分别在不同时间取得股票上市交易，为钢结构同行竖立了榜样。到2015年，我国钢结构产量有望在2010年2500万吨的基础上翻一番以上，达到5000万吨～6500万吨。钢结构的发展方向轻型钢结构多层住宅一是钢结构住宅。钢结构住宅符合绿色环保、节能减排和循环经济的要求，其工业化、标准化的钢结构住宅产品具有广阔的市场空间。根据中国钢结构协会调查，目前钢结构制造企业生产的产品中，钢结构房屋建筑和非标设备(成套装备)占其产量的80%左右。实际上我国平均每年房屋建筑施工面积超过20亿平方米(2009年已达到33亿平方米)，消耗钢材上亿吨，钢结构建筑用钢仅占建筑用钢的10%左右。我国房屋建筑中钢结构的建筑面积约占2%，而发达国家钢结构建筑占到40%～60%，提升的空间很大。钢结构的发展方向二是海洋工程钢结构。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》明确提出要发展海洋经济，为海洋工程钢结构的发展提供了新机遇。据悉，海洋石油产量到2015年要达到1亿吨，海洋工程装备企业要为在深海1500米～3000米开采石油提供大量装备，海洋工程钢结构产业规模将进一步扩大。三是钢结构桥梁。尽管近十多年来，钢结构桥梁发展很快，年用钢量从十多万吨提高到目前的超过200万吨，但钢桥所占的比例仍很低。截至2008年底，全国公路59万座桥梁中钢结构桥梁不足1%，而美国钢结构桥梁占33%，日本钢结构桥梁占41%。另外，我国铁路建设实现跨越式发展，新建的线路大多以桥代路，其中80%都是预应力钢筋混凝土桥梁，用钢桥替代的潜力很大。此外，钢结构在超高压输电、风力发电、核电领域等诸多领域，也有很好的发展和推广应用前景。钢结钢结构工程质量还需进一步提高，个别工程曾发生倒塌事故钢结构专业技术人员严重缺乏，尤其是中小企业缺少专业人才。市场运行不够规范，投标企业竞相压价，甚至发生中标价低于成本价的现象。建筑钢材价格波动较大，不利于钢结构的健康发展。标准及应用标准缺项、滞后，钢材标准与工程设计、施工规范规程衔接不上。企业进入钢结构行业门槛低，缺乏行业管理。新上马必须结合企业实际情况和市场发展需求，防止盲目上马一哄而起导致产能过剩并浪费大量资源。三、钢结构工程中存在的问题钢结构设计中存在的主要问题1.设计人员过分依赖软件，结构概念不清，对于一些重要的基本概念理解不透；2.钢结构企业恶性竞争，设计过于大胆；3.审图单位经验不足，把关不严。钢结构设计中存在的主要问题第一、设计图纸应用规范不齐全、不正确。如有的设计说明使用了过时的、已经废止的标准；有的材料牌号、等级不全、高强螺栓、普通螺栓和焊接连接点的标记不明确或未显示。对各类高强螺栓、普通螺栓、拉铆钉及其垫圈的规格、型号、性能没有具体标明，而这些均已列入了钢结构施工质量验收规范，并作为强制性条文要求，如果设计图纸未加说明，施工和验收就缺乏依据，造成盲目施工和无法验收后果。第二、设计总说明未写明工程的安全等级和使用年限。工程的安全等级不同，对焊接等施工检查要求也不同。安全等级为一级的，一、二级焊缝的焊接材料必须复试；安全等级为二级的，一级焊缝的焊接材料必须复试，二级焊缝的焊接材料就不一定需要复试。第三、钢材的材质等级，高强度螺栓的摩试要求不明确。有的设计图纸只写Q235或Q345，不写等级A或B，有的不提摩擦面试验要求，也未明确不作摩试要求，施工单位无所适从。有的施工单位在采购材料后，再让设计院认可，这是对工程质量采取随意性的处理，极为不妥。第四、施工图未注明焊接的坡口形式，焊缝间隙、钝边坡口角度、UT等级、是否单面焊等。有的施工图，对不同板厚的拼接焊接未按规范要求开斜坡，局部应力线过分集中，违反国家技术规范，质量验收往往通不过，又造成无法弥补的缺陷。第五、施工图未注明除锈等级要求。对油漆（涂料）的品牌、材质、漆膜厚度也没有要求，这样，工程施工和验收就没有依据。钢结构制作中存在的主要问题第一、在切割、下料时，翼缘板尺寸宽窄不一，造成H型钢与牛腿的尺寸不一致，与牛腿联系的钢梁上下翼缘板错位约一个板厚；切割边缘有较深的切痕，板边有明显的凹陷，或有较深的锯齿印，切割粗糙度超标，拼板边缘切割不垂直度，拼接错边等超标。第二、在组装时，焊接H钢并无组装胎架，造成H型钢高度尺寸有偏差，腹板偏中心；翼缘板腹板对接后，焊缝未矫平，有明显凹凸；轻钢腹板不平整，组装前未矫正。第三、在焊接方面，轻钢焊接H型钢翼板开料后再拼接，焊缝未安装引弧板，造成焊缝不饱满，边缘有凹坑未熔合等，与母材不齐平；柱脚、牛腿的焊脚尺寸小于设计图纸的规定，角焊缝塌边现象严重，收弧处普遍低于母材，气孔较多；使用CO2焊的焊缝成形差，宽窄不一致，高低不一致，忽大忽小；手工焊焊缝不直，宽窄不一，咬边现象严重；焊渣飞溅未清除干净。第四、在钻孔方面，事前未很好会审图纸，在该开单排孔的地方，开了双排孔，结果未补孔就留存在构件上。如柱与牛腿连接处的H型钢为双排孔，而大梁与次梁相同规格的H型钢为单排孔，但开孔时都开了双排孔，安装后影响了强度和外观质量。钢结构制作中存在的主要问题第五、总装过程中，钢柱牛腿与H型钢梁连接处上下错位，左右错位，未控制好尺寸。第六、除锈与油漆方面：除锈马虎，未达到等级要求，油漆不久就出现返锈、剥落；漆膜厚度不均匀，阳面厚度普遍超厚，可达250μm，但阴面往往在90μm左右（室内漆膜厚度规定为125μm）；油漆前杂质未清除干净，污物多，高低不平，流挂现象较普遍。第七、在构件运输和堆放过程中，无搁置件垫平堆放，而是随意卸车，杂乱堆放，甚至让构件埋入泥堆水沟中，造成构件变形、碰伤和污染。第八、构件出厂时，钢柱、钢梁的中心线标记未标示，相当普遍，给安装施工矫正检测带来困难。第九、翼腹板拼接长度不符合要求。如翼板拼接长度不应小于翼板宽度的2倍，翼缘板与腹板拼接焊缝应错开200mm以上，腹板拼接长度不小于600mm。但实际往往未达到上述要求。第一、钢柱安装时违反操作规程，像蜡烛一样一根根单插起来，当天又无法形成稳固的框架单元，大风一来，造成倒塌。这样的安全事故多次出现，应绝对避免。第二、单位无安装工艺，安装构件无顺序。如有一展厅，建筑面积6000平方米，共4层。构件已全部安装到顶，但主钢柱仍没有进行焊接固定，而边上的辅助小钢柱已全部焊完了。又如，钢柱安装完毕后，应尽快把钢柱脚垫块垫平焊牢，然后用细石密实。但有的工地彩钢板已开始安装，柱脚却没有封闭。第三、锚固螺栓高低不一，柱脚平面事先未测，预埋时移位，形成柱偏位，应先测后埋。钢结构安装中存在的主要问题第四、安装高强度螺栓，较多的出现以下一些问题：露牙不足，甚至低于螺母；螺栓未拧紧，扭剪型未拧断梅花头，大六角没有初拧终拧标记；安装时摩擦面的防护纸未撕掉；高强螺栓作临时固定用，安装后48小时内未漆封；未做扭矩与轴力复试，紧固力矩未按规定计算；摩擦系数试验不到位，有的不做，有的只做一组。拉杆螺栓不拧紧，拉杆不直，腰圆孔未用大垫圈，造成螺母与母材接触面太小，极易穿孔。第五、现场焊缝普遍不到位。如刚性连接衬垫焊间隙太小，无法焊透，结果垫板手一拉就掉；衬垫板规格不符合要求，甚至用钢筋代替；焊缝的成形不好，高低不平，宽窄不一，飞溅、焊瘤未清除，咬肉、气孔较多；弧头弧尾不加引弧板，出现凹陷等等。第六、图纸会审不仔细，造成安装质量缺陷。如设计图纸未注明在吊车梁翼板上钻孔，施工单位也未提出，结果在安装轨道时采用焊接，造成吊车梁下挠。违反强制性条文中有关吊车梁不允许下挠的规定。第七、围护彩钢板拼缝不密贴，收边不良，“鼻孔”未封堵，影响对雨水的防渗漏和美观。钢结构安装中存在的主要问题钢结构检测技术路线选用相应的规范接受委托确定检测分类确定抽样方案确定检测方法现场检测计算与结果评价出具报告四、钢结构检测相关问题四、钢结构检测相关问题钢结构检测分类建筑结构的检测可分为：建筑结构工程质量的检测和既有建筑结构性能的检测《建筑结构检测技术标准》GB/T50344-2004

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